先進復合材料纏繞成型技術解析（下）
2.1帶鋪放成型的研究現狀
歐美發達于20世紀70年代開始研究帶鋪放成型技術，并取得了很大進展，已開發出復合材料帶鋪放成型設備，如美國Vought飛機公司的大型CTLM鋪放機，該系統有2個鋪放頭，可同時鋪放2個不同部位，Vought公司目前正使用此系統生產軍用C-17運輸機的水平安定面蒙皮。EADS-CASA是歐洲早使用平面自動鋪帶機和曲面自動鋪帶機生產復合材料結構的公司，與手工鋪貼相比，CASA自動鋪帶機具有很高的生產效率，一般是手工鋪貼的10倍。當用150mm寬預浸膠布帶作平面鋪放時，生產效率是手工鋪貼的22倍以上。波音公司在自動鋪帶技術方面投入大量資金和人力，發展自動鋪帶技術生產B2轟炸機大型復合材料構件。近年來，波音公司也將自動鋪帶技術應用于其他項目，主要包括Navy A6轟炸機（復合材料機翼）、F-22戰斗機（機翼）和波音777民用飛機。波音777民用飛機的全復合材料尾翼、水平和垂直安定面蒙皮均采用自動鋪帶技術制造。
目前，帶鋪放成型技術在我國尚處于起步階段，國內復雜的鋪放制品基本上以手工鋪層為主，其生產效率低、鋪層質量不穩定、材料利用率低、制造周期長、費用高，難以實現復雜的結構設計要求，制約了我國航空航天制造技術的發展和水平的提高。由于復合材料帶鋪放成型技術對軍工事業和國防事業有著重大意義，歐美發達對我國嚴密封鎖，并限制高檔、精密和敏感復合材料成型工藝裝備對我國的出口，使我國無法走“引進、消化、吸收”的捷徑。國內科研院所和企業一直致力于帶鋪放成型技術的研究，以打破發達對我國的技術壟斷，促進國防、航空航天事業的發展。
2.2 帶鋪放成型的應用
美國航空制造商大量應用帶鋪放成型技術生產B1、B2轟炸機的大型復合材料結構、F-22戰斗機機翼、波音777飛機機翼、水平和垂直安定面蒙皮及C-17運輸機的水平安定面蒙皮等。歐洲生產的復合材料構件包括：A330和A340水平安定面蒙皮，A340尾翼蒙皮，A380的安定面蒙皮和翼盒等。
我國大飛機工程已經立項，復合材料規劃用量初期要達到15%，后期將隨著材料與設計制造技術的成熟逐步擴大，終的上限可能接近甚至超過現有波音787的復合材料用量水平[10]，帶鋪放成型技術是保證大飛機項目順利實施的關鍵技術之一。對于現階段復合材料用量15% 的目標，翼面壁板類構件將成為主導。對于20年研制周期的大飛機計劃，為進一步提高飛機性能，加大復合材料用量勢在必行，復合材料機身鋪放技術將成為后期的關鍵技術。
帶纏繞、帶鋪放成型技術的發展趨勢
隨著復合材料相關技術的發展，帶纏繞、鋪放成型技術呈現出多工藝復合化、成型設備精密化、CAD/CAM技術應用日益增多、成型設備與機器人結合化、熱塑性樹脂基復合材料逐漸增多及新型固化技術不斷應用的發展趨勢。
（1）將帶纏繞成型與拉擠、鋪放、編織、壓縮模塑等工藝相結合，提高帶纏繞成型的工藝適應性。
由于帶鋪放可進行任意角度纏繞，還可在凹形表面纏繞，克服了纏繞工藝的不足；若將其與帶纏繞工藝結合起來，可解決某些結構類管狀構件的纏繞成型問題。纏繞-拉擠工藝加工的薄壁管改善了制品的力學性能，已用于汽車司機駕駛室框架的制造。帶纏繞與注射模塑工藝結合制造的自潤滑多面滑動軸承具有卓越的摩擦學行為。
（2）將帶鋪放成型與電子束固化技術結合是目前研究的熱點[3]。
電子束固化可以大幅度地降低制造時間、材料消耗和能源，是重要的低成本制造技術。傳統電子束固化采用鋪疊后一次輻射固化，要求電子束的能量高（3~10MeV），不僅使加速器投資巨大，并且輻射防護的投資也隨之增加。意大利的Guasti1977年先提出“逐層電子束固化”的思想，完成一層鋪疊后即實施電子束固化，只需0.5MeV電子束能量，并可以獲得良好的力學性能。帶鋪放成型與電子束固化技術結合的研究逐漸進入實用階段。
（3）為帶纏繞、帶鋪放成型設備配備精密張力控制系統，以提高制品成型精度。
在纏繞、鋪放成型過程中，張力與制品的強度、致密度、疲勞性以及一致性有著密切的關系，對制品性能影響極大。國內方面，西工大、哈工大等均在精密張力控制系統方面進行了大量研究工作，并取得階段性成果；國外方面，法國已開發出一種用于粗紗的張力控制系統。
（4）CAD/CAM技術在帶纏繞、帶鋪放成型工藝及裝備中的應用日益增多。
CAD/CAM與纏繞、鋪放成型工藝的結合，有助于縮短產品設計周期、減少廢品率、提高制品的質量，提高自動化水平及生產柔性。國內外均有一些實用化的軟件問世，但與傳統CAD/CAM技術相比，復合材料成型CAD/CAM技術的研究才剛剛起步，研究成果有限。
（5）將纏繞、鋪放成型設備與機器人相結合，增強成型設備的柔性及適用范圍。
機器人用于帶纏繞、帶鋪放成型，具有自由度多、運動靈活、工藝范圍寬等優點，尤其適合小型復雜構件的纏繞、鋪放成型，如不對稱構件和雙凹面構件等。歐美及加拿大正在研究開發機器人纏繞機，如比利時Leuven天主教大學用一臺PUMA-762機器人與兩軸數控纏繞機聯接，纏繞出多種零件 ；加拿大OTTAWA大學也用機器人成功纏繞了T 形管；德國AACHEN工業大學建成了一個復合材料柔性制造單元，己成功生產出機床主軸、飛機機身等零件。
（6）熱固性樹脂基復合材料成型向熱塑性樹脂基復合材料成型方向發展。
據統計，從1994年以來，熱塑性復合材料是同期熱固性復合材料增長的2倍。該高速增長可以用熱塑性樹脂基復合材料良好的機械性能、耐溫性能、介電常數及可循環性來解釋，尤其是它的可回收、可重復利用及不污染環境的特性適應了當今材料環保的發展方向。國外已有杜邦、帝國化學、BASF和德國凱瑟斯路登大學等多家大公司和科研機構對熱塑性樹脂基復合材料的成型工藝進行了研究和生產。國內有北京航空材料研究院先進復合材料國防科技重點試驗室等少數機構對熱塑性預浸帶進行了纏繞試驗，并對制品性能進行了初步分析。目前國內這種工藝尚處于初步開發的階段，發展空間較大。
（7）新型固化技術與在線固化監測技術不斷出現。
紅外加熱、微波加熱、火焰加熱、電子束固化等技術可縮短固化周期，減少殘余應力，提高復合材料的力學及物理性能，有利于降低成本。法國航空航天公司已對固體火箭發動機纏繞殼體的電子束固化技術進行了成功演示，其綜合性能優于常規的加熱固化復合材料。此外，超聲技術以及光纖傳感技術等均用于在線固化監測過程。前蘇聯在殼體纏繞成型過程中采用了磁場中纏繞及固化的工藝方法，可使制品實現更為良好的固化效果。
帶纏繞、帶鋪放成型應用過程中存在的問題
經過40余年的研究與發展，我國復合材料纏繞、鋪放成型制造技術的研究和應用已初具規模，形成具有航空、航天特色的復合材料技術體系，滿足不同型號航空航天產品的需求，為國防、航空航天事業的發展做出了巨大貢獻。復合材料垂直安定面、水平尾翼、方向舵、前機身、艙門等構件已在多種型號飛機上使用，并可小批量生產。機身、機翼、直升機旋翼等在進行了大量基礎研究工作后，已裝機試飛成功，航空、航天復合材料已進入實際應用階段。盡管如此，我國復合材料的技術基礎和應用水平與發達相比還有相當大的差距。我國目前正在大力發展載人航天、探月計劃、大飛機、新型戰斗機、風力發電等高新科技工程，其中火箭發動機殼體、噴管，大飛機機翼、機身，風電葉片等大型非規則結構件均需通過復合材料纏繞、鋪放成型實現，這也對復合材料纏繞、鋪放成型制造技術提出了更具挑戰的要求。為使復合材料纏繞、鋪放成型制造技術在航空、航天及民用領域更好地推廣應用，必須注意以下幾個方面的問題。
（1）國產先進復合材料無法完全滿足纏繞、鋪放成型制造的需求。
我國先進復合材料存在的問題為：生產規模小、質量差、價格高、應用基礎研究薄弱等。深層次上表現為原材料供應的“瓶頸”效應，即國產復合材料的性能、質量、規格、價格以及供貨能力等方面達不到高性能鋪放成型制品的要求，無法滿足國防、航空航天及民用領域對復合材料的迫切需要。國外預測我國將成為大的復合材料制造商和用戶，需求量將占的1/4?；趶秃喜牧系幕A性、先導性、戰略性特點，從源頭解決好復合材料的供應問題，才能使我國纏繞、鋪放成型制造技術的快速發展成為可能。
（2）低成本復合材料纏繞、鋪放成型制造技術。
復合材料纏繞、鋪放成型普遍存在制造成本問題。在纏繞、鋪放成型過程中，所用設備專一，制造工藝復雜。要使復合材料纏繞、鋪放成型制造真正進入到產業化階段，還需作更深一步的研究，發展制造過程優化及工藝控制技術，降低制造成本，拓展纏繞、鋪放成型制造技術的應用領域。
（3）復合材料纏繞、鋪放成型制造技術的相關理論與方法。
通過對復合材料纏繞、鋪放成型制造技術數十年的研究和成功應用，人們對其有了更深刻的認識。近年來，歐美等發達纏繞、鋪放成型制造技術在航空、航天及民用領域的大量應用，這其中的原因是多方面的，科學合理的理論與方法是其中的重要因素之一[1]。鑒于此，我國需要建立并不斷完善纏繞、鋪放成型制造技術的相關理論與方法。
（4）復合材料纏繞、鋪放成型制品的規范與標準。
將復合材料纏繞、鋪放成型制品規范化、標準化，使試驗和分析更好地結合起來，形成生產和評價的統一指標，可促進全行業的技術發展，顯著改進制品的一致性[20]。建立復合材料纏繞、鋪放成型制品有效性能實驗表征與評價體系，定量化評價成型制品的可靠性和安全性，對于減少風險，降低成本有著不可忽視的作用。
（5）重視發展規劃與加大支持力度。
隨著新一代飛行器的發展，特別是新一代衛星、大運載火箭和大飛機的發展，先進復合材料及其成型制造工藝的應用將越來越廣泛。我國先進復合材料研制費用大部分要靠專門投入，因此應該從和宏觀的層面上制定相應的發展規劃，本著系統和長遠發展的眼光，重點解決先進復合材料及其成型制造工藝中的共性和關鍵問題，在滿足國防、航空航天領域需求的前提下促進民用領域的拓展。
結束語
先進復合材料的纏繞、鋪放成型是固體火箭發動機殼體，大飛機機身、機翼，風電葉片等核心部件的關鍵制造技術，對我國重大項目的實施和航空航天事業的發展有著舉足輕重的作用。我國將成為先進復合材料的大用戶，卻面臨著國外技術的嚴密封鎖與技術儲備的嚴重不足。為實現先進復合材料及其成型制造技術在國防、航空航天及民用領域的廣泛應用，必須堅持自主研發，解決原料問題，低成本制造問題，相關理論與方法問題，規范和標準制定問題，政策支持問題。
